開挖工法對灰巖地區小凈距公路隧道穩定性影響研究

王瑋 WANG Wei；史奎 SHI Kui；鄭茂源 ZHENG Mao-yuan；張新正 ZHANG Xin-zheng

（山東省公路橋梁建設集團有限公司，濟南 250014）

0 引言

隨著交通運輸需求的日益增長，受隧址區地形和周邊環境的影響，小凈距隧道成為高速公路中常見的結構形式，其洞室開挖對圍巖穩定性影響成為重要的研究內容。許多學者對小凈距隧道圍巖受力特征[1-3]、中夾巖穩定性控制[4-6]、開挖方法和安全間距[7，8]、支護效果[9，10]等方面進行了一些研究。本文主要針對灰巖地區大跨小凈距隧道開展研究。隧址區為剝蝕低山丘陵地貌區，主要為中風化灰巖、局部夾泥灰巖。采用數值模擬的方式，通過對比不同開挖工法對隧道圍巖穩定性影響進行研究，從而得到最優開挖方式，降低施工成本、保障施工安全，滿足低碳環保的要求。本文針對小凈距隧道開挖方案的優選進行研究，可為類似工程地質條件下小凈距隧道實現快速、經濟、安全的開挖施工提供參考。

1 計算模型及參數

為分析該灰巖地區小凈距公路隧道左右洞開挖對隧道圍巖及中夾巖穩定性的影響，左右線隧道輪廓相同，隧道開挖凈寬17.35m，斷面高度為10.5m。選取左、右洞凈距最小處為7.2m 斷面為研究對象，建立有限元模型，模型共計302980 個單元體，58628 個網格節點。計算模型四周和底部的外邊界約束邊界面法向位移，上邊界地表為自由表面。巖土體結構計算采用Mohr-Coulomb 本構模型。

計算模型中各土層的參數根據設計單位提供的地質資料，結合類似石灰巖隧道工程資料確定。隧址區地層分布較為簡單，隧址區主要巖性為中風化灰巖。計算選用的物理力學參數參考表1。

2 開挖工法對小凈距隧道圍巖穩定性分析

為探究開挖工法對小凈距隧道圍巖穩定性的影響，模擬計算共討論了4 種工況，見表2。

2.1 圍巖位移影響特征分析

為研究不同開挖工況對小凈距隧道圍巖穩定性的影響，選取隧道拱頂、左拱腰、右拱腰、左側墻、右側墻、拱底共6 個關鍵點作為研究對象（如圖1）。其中，左線關鍵點編號為Z01～Z06，右線隧道關鍵點編號為Y01～Y06。提取不同開挖工況對應的計算結果。

圖1 隧道關鍵點布置

提取不同開挖工法對左右線隧道關鍵點01 和06的豎直位移值和關鍵點02～05 的水平位移，得到如表3 和表4 所示計算結果。

表3 不同開挖工法對應關鍵點豎直位移（mm）

表4 不同開挖工法對應關鍵點水平位移（mm）

通過關鍵點位移可以看出，先施工的隧道會受到后施工的近接隧道施工時的擾動，洞周圍巖位移較后施工的大。通過對比，工況3 施工時，隧道拱頂、底板的豎向位移及隧道邊墻的水平位移都較其他工況大，對圍巖擾動情況明顯。上下臺階法對比CD 法，洞周圍巖位移稍大。三臺階法施工對圍巖擾動較上下臺階法小，但整體位移情況大于CD 法施工。4 種工況施工完成后圍巖總位移云圖，見圖2。

圖2 施工完成后洞周圍巖總位移云圖

由圖2 可知，隧道開挖后，左、右洞中夾巖的穩定性受到了極大擾動，圍巖位移較大區從中夾巖一直延伸到了地表。因此，為確定最優的施工工法，還需對不同工況下中夾巖的穩定性進行進一步分析。

在左洞與右洞之間設置關鍵點，使用摩爾庫倫本構模型分別進行各個工況的分步開挖計算。提取不同工況下隧道開挖完成后各個關鍵點的位置值進行對比，見圖3。

圖3 隧道開挖完成后中夾巖各關鍵點位移

不同開挖工法下隧道開挖完成后中夾巖各關鍵點位移曲線均呈現先減小后增大的趨勢，在距離左線隧道右邊墻臨空面3～4m 處到達最低點。之后，隨著與右線隧道左邊墻臨空面的距離減小，中夾巖關鍵點位移逐漸增加。具體來說，與隧道邊墻圍巖位移特征相同，開挖完成后，工況2 開挖后對中夾巖產生的位移量最大，在未進行支護時，全斷面開挖完成后對右線邊墻內部造成了超過20mm 的位移。工況4 對中夾巖的擾動也較大，開挖完成后對右線邊墻內部造成了超過15mm 的位移。此外，上下臺階法開挖完成后對左線右邊墻處的中夾巖也有較大擾動，部分區域的圍巖位移甚至超過了全斷面法開挖。整體而言，工況1 和工況3 對中夾巖擾動相對較小。

2.2 圍巖應力情況分析

為進一步說明不同開挖工法對隧道洞周圍巖的擾動情況，分別提取不同工況開挖后左右線洞周關鍵點應力特征，見表5。

表5 各工況開挖后隧道圍巖關鍵點應力變化表 單位：MPa

由表5 可以得到，開挖后，洞周徑向應力釋放，切向應力增加。各關鍵點的最大主應力基本為壓應力，在左洞隧道靠近中巖墻拱肩關鍵點Z03 及右洞隧道靠近中巖墻拱肩關鍵點Y02 附近出現較大的壓應力集中。

2.3 圍巖破壞情況分析

根據摩爾庫倫模型定義，開挖后圍巖的塑性區體積能反映隧道開挖后圍巖的破壞情況，因此也能從一定層面上說明不同工法開挖對圍巖的擾動特征。因此提取隧道開挖后相同區間段的隧道洞周塑性區體積以及中巖墻處塑性區體積（如表6），以此來分析不同工法隧道開挖后的圍巖情況。

表6 各工法開挖后隧道洞周及中巖墻處塑性區體積特征

根據表6 可以看出，工況2 即全斷面開挖時無論是總體塑性區體積還是中巖墻處塑性區體積都是最大，工況3即三臺階開挖時塑性區體積最小。上下臺階法及CD 法開挖塑性區體積差別不大，但CD 法較上下臺階法稍好。

3 結論

對小凈距隧道4 個開挖工法進行研究，分別從隧道圍巖位移場、應力場、塑性區進行對比分析。通過綜合對比4種不同開挖工況對隧道圍巖及中巖墻的擾動情況，全斷面開挖對周邊巖體擾動最大，開挖完成后總塑性區為1.82×103m3，此外對洞周圍巖及中巖墻巖體擾動均為最大。三臺階開挖對周邊巖體擾動最小，開挖完成后總塑性區為1.46×103m3，該工法對中巖墻擾動也為最小。CD 法與上下臺階法相比，CD 法對洞周圍巖及中巖墻巖體擾動較小，但兩種工法的整體塑性區大小及中巖墻處塑性區體積相差不大。

因此，整體而言，考慮到施工難度，該隧道可采用CD法或上下臺階法進行分步施工，對圍巖變形控制要求較高的區間可采用CD 法進行施工，對圍巖變形控制要求不高的區間可采用上下臺階法進行施工。